(57)【要約】【課題】水蒸気改質器の冷却時に凝縮水が発生し、この水が改質触媒および水蒸気改質器そのものを腐食させてしまうおそれがあった。【解決手段】炭化水素燃料と水蒸気とから水素含有ガスを生成する改質触媒２ａと、この改質触媒２ａが充填された流路２ｂと、改質触媒２ａを改質反応に適した温度まで加熱するバーナ３とを備えた水蒸気改質器２において、流路２ｂの下端に改質触媒２ａが充填された部位よりも熱容量の小さい凝縮室７を設け、シャットダウン時にバーナ３のエアパージによって流路２ｂ中の水蒸気を凝縮室７で凝縮させるようにした。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素燃料と水蒸気とから水素含有ガスを生成する改質触媒と、この改質触媒が充填された流路と、前記改質触媒を改質反応に適した温度まで加熱するバーナとを備えた水蒸気改質器において、前記流路の下端に改質触媒が充填された部位よりも熱容量の小さい凝縮室を設け、シャットダウン時に前記バーナのエアパージによって前記流路中の水蒸気を凝縮室で凝縮させるようにしたことを特徴とする燃料電池発電システムの水蒸気改質器。
【請求項２】
前記凝縮室に凝縮水を外部に排出する排出管を接続し、この排出管に開閉手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システムの水蒸気改質器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素燃料を改質し燃料電池発電システムの水素含有ガスを生成する水蒸気改質器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電システムにおいては、燃料電池本体に供給する水素含有ガスを炭化水素燃料を水蒸気改質器で水蒸気改質することで生成しているものである。ここで、水蒸気改質器には炭化水素燃料ガスと水蒸気が投入され、６００℃以上の高温に加熱された改質触媒によって燃料ガスと水蒸気が反応されて水素および一酸化炭素が生成される。そして、水蒸気改質を停止するシャットダウン時には、改質触媒中に未反応の燃料ガスと水蒸気が残留するため、これをパージする必要がある。
【０００３】
そこで、水蒸気改質器で一度改質した改質ガスをバッファタンクに貯留しておき、シャットダウン時にこのバッファタンクに貯留されている改質ガスを用いて水蒸気改質器をパージする方法が知られている。このようなものには特許文献１がある。
【０００４】
【特許文献１】特開平３−２４７５０１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、水蒸気改質器のパージに用いる改質ガスにも多量の水蒸気が含まれており、６００℃以上に加熱されていた水蒸気改質器が冷却されて温度低下する間に、この水蒸気が凝縮して水が発生し、この水が改質触媒および水蒸気改質器そのものを腐食させてしまうおそれがあった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は上記課題を解決するため、請求項１では、炭化水素燃料と水蒸気とから水素含有ガスを生成する改質触媒と、この改質触媒が充填された流路と、前記改質触媒を改質反応に適した温度まで加熱するバーナとを備えた水蒸気改質器において、前記流路の下端に改質触媒が充填された部位よりも熱容量の小さい凝縮室を設け、シャットダウン時に前記バーナのエアパージによって前記流路中の水蒸気を凝縮室で凝縮させるようにした。
【０００７】
これにより、水蒸気改質器のシャットダウン時のバーナのエアパージによって、それまで高温環境にあった改質触媒流路中の水蒸気が冷やされて凝縮するが、改質触媒中よりも熱容量が小さい凝縮室が先に冷やされ、この凝縮室中で水蒸気が凝縮することとなるので、凝縮水により改質触媒および水蒸気改質器が腐食することがなく機器寿命を延長できる。
【０００８】
また、請求項２では、前記凝縮室に凝縮水を外部に排出する排出管を接続し、この排出管に開閉手段を設けた。
【０００９】
これにより、簡易な構成で改質触媒を還元環境に保って凝縮水を水蒸気改質器外へ排水できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に本発明の燃料電池発電システムのシステム系統図を示す。１は炭化水素燃料から改質触媒の毒となる硫黄成分を取り除く脱硫器、２は脱硫器１で脱硫された炭化水素燃料と水蒸気が導入されて水素含有ガスが生成される水蒸気改質器、３はこの水蒸気改質器２を改質触媒を改質反応に適する温度（ここでは６００℃以上）まで加熱する加熱手段としてのバーナ、４は水蒸気改質器２で生成された水素含有ガスに含まれるＣＯをＣＯ２とＨ２に変換するシフト反応器、５はシフト反応器４で除去しきれなかったＣＯをＣＯ２に変換して除去するＣＯ除去器、６は水素含有ガス中の水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池本体である。
【００１１】
前記燃料電池本体６は、プロトン伝導性の固体高分子膜６ａを介して燃料極６ｂと空気極６ｃが両面に配置された構造で、水素含有ガスが燃料極６ｂに供給されて水素がプロトンと電子に分解される一方、空気が空気極６ｃに供給されて酸素と固体高分子膜６ａ中を通過してきたプロトンと外部回路を流れてきた燃料極６ｂからの電子が反応して水を生成されることで水素含有ガスと空気から発電するものである。
【００１２】
水素含有ガスは前記燃料極６ｂで水素が発電に供されるが、全ての水素が発電に供されることはなく、燃料極６ｂを通過して水素が一部残留したオフガスは水蒸気改質器２を加熱するバーナ３に燃料として供給される。
【００１３】
前記水蒸気改質器２は、改質反応が吸熱反応であるため反応熱を与える手段が必要であり、図２に示すように、バーナ３の燃焼にて加熱される空間３ａ中に、改質触媒２ａが充填された流路２ｂが配置されて構成され、反応に必要な熱をバーナ３にて供給して改質反応に適した温度まで加熱しており、脱硫器１で脱硫された燃料と別工程にて生成された水蒸気とが改質触媒２ａが充填された流路２ａを流通し、多量のＨ２と少量のＣＯを含む水素含有ガスに改質されて流出するようにしているものである。
【００１４】
改質触媒２ａが充填された流路２ｂの下端には、流路２ｂ中の改質触媒２ａが充填された部位よりも熱容量が小さい凝縮室７が設けられ、流路２ｂ中の水蒸気をこの凝縮室７で凝縮させるようにしている。ここで、凝縮室７内は改質触媒２ａが充填されていない空間として熱容量を小さくしていると共に、流路２ｂの下端から改質触媒２ａが流出させないためのネットやパンチングメタル等を介して流路２ｂと凝縮室７とをガスを流通可能に仕切っているものである。
【００１５】
また、前記凝縮室７には、凝縮水を外部に排出する排水管７ａと、この排水管７ａを開閉する開閉手段７ｂとが接続されて構成されている
【００１６】
次に、８は前記水蒸気改質器２と燃料電池本体６の間に設けられ、水素含有ガスを一時貯留するバッファタンクである。このバッファタンク８に水素含有ガスが一時貯留されることで電力負荷が急変したときに、燃料電池本体６に供給する水素含有ガスの量を調整して発電量を追随させることができると共に、燃料電池発電システムの停止時に水蒸気改質器２中の未反応の燃料ガスおよび水蒸気をバッファタンク８内の水素含有ガスにてパージするようにしているものである。
【００１７】
そして、水蒸気改質器２のシャットダウンに伴いそれまで改質反応に適した温度（ここでは６００℃以上）の高温に加熱されていた水蒸気改質器２がバーナ３のエアパージによって冷却されると共に、水蒸気改質器２をパージするために改質触媒２ａが充填された流路２ｂに供給されたバッファタンク８からのパージ用の水素含有ガスも冷却されることとなる。
【００１８】
しかし、改質触媒２ａが充填されている部位よりも熱容量の小さい凝縮室７が先に冷却されるので、この凝縮室７中で水素含有ガス中に含まれる水蒸気が凝縮し水が生じる。このとき、流路２ｂ中の水蒸気が凝縮室７で凝縮して徐々に水蒸気の濃度が薄まるようにして改質触媒２ａに接触する凝縮水を限りなく減らすことができ、改質触媒２ａを凝縮水で濡らすことがなく触媒性能を低下させない。
【００１９】
そして、凝縮室７で凝縮した凝縮水は凝縮室７に一旦貯められる。また、改質触媒２ａが充填されている部位にて凝縮してしまった凝縮水も流路２ｂの下端に設けられている凝縮室７に流下して貯められることとなる。そして、システムの発停が繰り返されて凝縮室７に凝縮水がある程度の量貯められた時点にて、開閉手段７ｂが開かれると排水管７ａを介して外部へ排出されるものである。なお、開閉手段７ｂはシステムのシャットダウンの都度開くようにしてもよい。排水管７ａは常閉しているため、改質触媒２ａを還元環境に保つことができるものである。
【００２０】
このように、凝縮室７が水蒸気改質器２の改質触媒２ａが充填された流路２ｂの下端に設けられているので、シャットダウンに伴う温度低下による凝縮水に改質触媒２ａが浸されることがなくなり、凝縮水により改質触媒２ａおよび水蒸気改質器２そのものが腐食することがなくなり、改質触媒２ａおよび水蒸気改質器２の寿命を従来よりも延長できる。
【００２１】
なお、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、水蒸気改質器２の改質触媒２ａが充填される流路２ｂの形状は任意の形状でよく、水蒸気改質器２の設置状態で改質触媒２ａが充填される流路２ｂ中の凝縮水が流下する位置に凝縮室６を設ければ目的を達成できる。
【００２２】
また、図３に示すように凝縮室７の外側にフィン等の冷却手段７ｃを設けて凝縮室７を改質触媒２ａの充填された流路２ｂよりもさらに冷却されやすいようにしてもよい。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、凝縮水により改質触媒および水蒸気改質器が腐食することがなく機器寿命を延長できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の燃料電池発電システムのシステム系統図。
【図２】同一実施形態の水蒸気改質器の概略構成図。
【図３】本発明の他の一実施形態の水蒸気改質器の概略構成図。
【符号の説明】
２  水蒸気改質器
２ａ  改質触媒
２ｂ  流路
３  バーナ
７  凝縮室
７ａ  排水管
７ｂ  開閉手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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